TCP 혼잡 제어

1. 혼잡 제어 기법

Client와 Server는 통신을 하며 수많은 데이터를 패킷으로 쪼게 주고받게 됩니다. 이 과정에서 혼잡 제어를 위해서 네트워크 상황을 모니터링하며 NACK 패킷 혹은 Timeout으로 재전송이 많아지지는 않았는지? 전에 비해서 응답 패킷이 늦어지지는 않았는지? 확인합니다. 이를 위해서 송신측은 현재 네트워크가 상황에 따라서 전송 윈도우 사이즈를 조절합니다.

 

송신측 전송 윈도우 사이즈(AWND)를 결정하기 위해서는 여유 윈도우 사이즈와 혼잡 윈도우 사이즈 중 적은 값을 선택하여 결정합니다. 여유 윈도우 사이즈(RWND)는 수신측이 지속적으로 전송해주고 혼잡 윈도우 사이즈는(CWND)는 기본값 MSS(Maximum Segment Size, 1460byte)로 상황에 따라 MSS 단위로 조절되며 5가지 기법이 있습니다.

 

AIMD(Additive Increse/Multicative Decrease)는 처음에 혼잡 윈도우의 디폴트 사이즈인 1 MSS로 패킷을 보내고 ACK 패킷을 받으면 1개씩 증가하는 방식입니다. 만약 네트워크 문제가 생긴다면 반으로 감소합니다. 

 

 

느린 시작(Slow Start)은 처음에 한개씩 혼잡 윈도우의 디폴트 사이즈인 1 MSS로 패킷을 보내고 ACK 패킷 받으면 배로 증가하는 방식입니다. 만약 타임 아웃 문제가 생긴다면 디폴트 사이즈로 돌아갑니다.

 

혼잡 회피(Congestion Avoidance)은 느린 시작으로 시작하면 혼잡 윈도우 사이즈가 배로 증가하여 기하급수적으로 증가하며 혼잡의 위험성이 커집니다. 이를 위해 임계점(sshthresh, Slow Start Threshold)를 정하고 이때부터는 1개씩 증가하는 방식입니다. 만약 타임 아웃 문제가 생긴다면 디폴트 사이즈로 돌아가며 임계점은 해당 시점의 혼잡 윈도의 사이즈의 1/2로 변경됩니다.

 

 

빠른 재전송(Fast Retransmit)은 3 Duplicate ACK 문제가 생긴다면 송신측은 즉시 패킷을 재전송하는 방식입니다. 더불어 혼잡한 상황이라 판단하고 혼잡 윈도우 사이즈는 디폴트 사이즈로 돌아가며 임계점은 해당 시점의 혼잡 윈도의 사이즈의 1/2로 변경됩니다.

 

빠른 회복(Fast Recovery)은 빠른 재전송과 유사하지만 3 Duplicate ACK  문제가 생긴다면 디폴트 사이즈로 돌아가는게 아니라 해당 시점의 혼잡 윈도우 사이즈의 1/2로 돌아간 후 ACK 패킷을 받으면 1개씩 증가하는 방식입니다.

 

 

여기서 3 Duplicate ACK는 아래와 같이 슬라이딩 윈도우의 중간 패킷이 유실되어 특정 ACK 패킷을 세번 받는 상황입니다. 빠른 재전송 기법을 사용하지 않는다면 NACK 패킷이 올 때까지 기다리거나 재전송 타이머가 완료될 때까지 기다린 후 재전송할 수 있습니다.

 

 

2. TCP

TCP는 혼잡 제어를 위하여 다양한 기법을 혼합하여 사용하고 있으며 가장 오래되고 기본이 되는 2가지 방식이 있습니다.

 

Tahoe는 느린 시작, 혼잡 회피, 빠른 재전송이 혼합된 방식입니다. 네트워크 문제가 생긴다면 디폴트 사이즈로 돌아가서 느린 시작으로 다시 시작합니다.

 

Reno는 Tahoe, 빠른 회복이 혼합된 방식입니다. 3 Duplicate ACK 문제가 생긴다면 해당 시점의 혼합 윈도우 사이즈의 1/2로 돌아간 후 ACK 패킷을 받으면 1개씩 증가하고 타임아웃 문제가 생긴다면 디폴트 사이즈로 돌아가서 느린 시작으로 다시 시작합니다. 네트워크 문제에서도 3 Dupilicate ACK 문제보다 타임아웃 문제를 더 큰 혼잡으로 받아들입니다.

 

 

그 외 발전된 다양한 방식들이 있으며 OS 버전에 따라 지원되는 알고리즘이 다릅니다. 현재는 CUBIC, Compound TCP, BBR 등이 많이 사용되고 있습니다.

 

 

TCP 패킷을 직접 보면 여유 윈도우 사이즈는 Client 131,840byte, Server 66,816byte로 시작하였지만 계속 변화하고 있음을 알 수 있습니다. Bytes in flight는 현재 ACK 패킷을 받지 못한 패킷 용량, Calculated window size는 스케일링까지 계산된 여유 윈도우 사이즈입니다.

 

 

참고 : https://www.wikiwand.com/en/TCP_congestion_control

TCP congestion control | Wikiwand

https://evan-moon.github.io/2019/11/26/tcp-congestion-control/

사이 좋게 네트워크를 나눠 쓰는 방법, TCP의 혼잡 제어